第十章强迫对流
第十章强迫对流
Heat Transfer
t 1 (t' t") 2
• 对常壁温条件
对数平均温差
t ' t"
入口
t
ln
t ' t "
出口
Heat Transfer
Байду номын сангаас
• 管内层流充分发展段的对流换热系数
Heat Transfer
续表
Heat Transfer
Heat Transfer
•管内层流 入口段
Pe Re Pr 贝克利数
Nuf 5.0 0.025Pef0.8
Pef 100。
Heat Transfer
强化管内湍流换热的措施
• 将式10-58展开（取n=0.4，加热）
h
0.023cp 0.4 0.6 d 0.4 0.2
u
0.8
• 可见，当流体种类确定后，设计中能改变的只有流速 和管径。
ct
Tf Tw
0.5
ct 1。
液体:
Heat Transfer
m
ct
f w
m 0.11 加热
m 0.25 冷却
（2）Sieder-Tate 公式：
0.14
Nuf
0.027 Ref0.8
Prf1 / 3
f w
应用条件
l / d 60，
Prf 0.7 ~ 16700, Ref 104。
10-5 强迫对流换热 Forced Convection heat transfer
— 管内流动 Internal — 外部流动 External
Heat Transfer
• 管内流动
– 换热器的管侧流体流动与换热 – 轮机叶片内的冷却流道内的流体流动与换热 – 等…
热工基础 第十章对流换热
u u u xv u y F x x p x 2 u 2 y 2 u 2
v u v xv v y F y p y x 2 v 2 y 2 v 2
u t v t a 2t x y y2
25
10-3 外掠等壁温平板层流换热分析解简介
1. 对流换热特征数关联式 特征数是由一些物理量组成的量纲一（无量纲）的数， 例如毕渥数Bi和付里叶数Fo。对流换热的解也可以表示 成特征数函数的形式，称为特征数关联式。
综上所述，边界层具有以下特征： (a) 、t l
(b) 流场划分为边界层区和主流区。流动边界层内存 在较大的速度梯度，是发生动量扩散（即粘性力作用） 的主要区域。主流区的流体可近似为理想流体；热边 界层内存在较大的温度梯度，是发生热量扩散的主要 区域，热边界层之外温度梯度可以忽略；
(c) 根据流动状态，边界层分为层流边界层和湍流边 界层。湍流边界层分为层流底层、缓冲层与湍流核心 三层结构。层流底层内的速度梯度和温度梯度远大于 湍流核心；
6
5）体胀系数V，K－1。
V 1vvtp 1tp
对于理想气体，pv=RT，代入上式，可得V =1/T。
体胀系数影响重力场中的流体因密度差而产生的浮升 力的大小，因此影响自然对流换热。
定性温度
对于同一种不可压缩牛顿流体，其物性参数的数 值主要随温度而变化。用来确定物性参数数值的温度。 称为定性温度。在分析计算对流换热时，定性温度的 取法取决于对流换热的类型。
20
局部表面传热系数的变化趋势：
流动边界层厚度 与热边界层厚度t的比较 ：
两种边界层厚度的相对大小取决于流体运动粘度 与
热扩散率a的相对大小。令
传热学-强迫对流实验指导书(2014)
《传热学》实验指导书实验名称：强迫流动单管管外放热系数的测定 实验类型: 验证性实验 学 时：2适用对象: 热动、集控、建环、新能源等专业一、实验目的1.该项实验涉及较多课程知识，测量参数多，如风速、功率、温度，可考查学生的综合能力。
2.测量空气横向流过单管表面的平均表面传热系数h ，并将实验数据整理成准则方程式。
3.学习测量风速、温度、热量的基本技能，了解对流放热的实验研究方法。
二、实验原理根据相似理论，流体受迫外掠物体时的表面传热系数h 与流速、物体几何形状及尺寸、流体物性间的关系可用下列准则方程式描述：),(r e u P R f N =实验研究表明，流体横掠单管表面时，一般可将上式整理成下列具体的指数形式：m n r m n e um P CR N ⋅=式中：m n c ,,均为常数，由实验确定努谢尔特准则---um Nmum hdN λ=---em R 雷诺准则mem d R νμ=---rm P 普朗特准则mnrm P αν=上述各准则中--d 实验管外径，作定性尺寸(米)--μ流体流过实验管外最窄面处流速，（)/s m --λ流体导热系数（)/K m W ⋅--α流体导温系数)/(2s m--ν流体运动粘度)/(2s m --h 表面传热系数)/(2K m W ⋅准则角码m 表示用流体边界层平均温度)(21f w m t t t -=作定性温度。
鉴于实验中流体为空气，rm P =0.7，故准则式可化成：n emum CR N = 本实验的任务在于确定n c 与的数值。
首先使空气流速一定，然后测定有关的数据：电流I 、电压V 、管壁温度w t 、空气温度f t 、测试段动压P 。
至于表面传热系数h 和流速μ在实验中无法直接测量，可通过计算求得，而物性参数可在有关书中查到。
得到一组数据后，即可得一组e R 、u N 值，改变空气流速，又得到一组数据，再得一组e R 、u N 值，改变几次空气流速，就可得到一系列的实验数据。
材料加工冶金传输原理第十章(吴树森版)
(1)
式中，定性温度Tf可取 ' " T f (T f T f ) 2 式中，Tf'、Tf" — —管道进、出口流体温度。
( 2)流体粘性系数 f 不宜过大 : f ≯ 2 水
(1)温差(TW Tf )不宜过大 : 空气 ≯ 50℃; 水 ≯ 20 ~ 30℃; 油 ≯ 10℃.
• （1）努塞尔准数Nu
– 将其变形为
其物理意义可理解为流体的导热热阻和其对流热阻的比 值，它反映了给定流场的对流换热能力与其导热能力的 对比关系，其大小反映了对流传热能力的大小。由于式 中包含有待定的物理量α ，故Nu是被决定性准数。
10.3 对流换热的准数方程式
• （2）傅里叶数Fo 将其变形为
物理意义可理解为流体的单位体积物体的导热 速率与单位体积物体的蓄热速率比值，Fo越大， 温度场越趋于稳定。
10.3 对流换热的准数方程式
• （3）物性准数Pr 将其变形为
物理意义可理解为流体动量传输能力与热量传 输能力之比。从边界层概念出发，可以认为是 动力边界层与热边界层的相对厚度指标。
10.3 对流换热的准数方程式
T T T T 2T 2T 2T vx vy vz a( 2 ) 2 2 t x y z x y z
10.3 对流换热的准数方程式
10.3 对流换热的准数方程式
10.3 对流换热的准数方程式
10.3 对流换热的准数方程式
10.3 对流换热的准数方程式
能量微分方程方程 v x
动量微分方程 连续性方程
T T 2T vy a x y y 2
v x v x 2vx vx vy x y y 2
v x v y 0 x y
热工基础张学学思考题答案.docx
热工基础第十章思考题答案1何谓表面传热系数？写出其定义式并说明其物理意义。
答： q=h（t w-t f），牛顿冷却公式中的 h 为表面传热系数。
表面传热系数的大小反映对流换热的强弱。
2用实例简要说明对流换热的主要影响因素。
答：（ 1）流动起因室内暖气片周围空气的流动是自然对流。
而风机中的流体由于受到外力的作用属于强迫对流。
强迫对流和自然对流的换热效果是不同的。
（2 ）流动的状态流动状态有层流和湍流，层流和湍流的对流换热强度不同，输水管路，水流速度不同，会导致水的流动状态由层流到湍流，那么这两种流动状态对流换热效果是不同的。
（3）流体有无相变水在对流换热过程中被加热变成水蒸气，蒸气在对流换热过程中被冷却变成水，这个过程会吸收和放出汽化潜热，两个换热过程的换热量不同。
（4）流体的物理性质流体的物理性质对对流换热影响很大，对流换热是导热和对流两种基本导热共同作用的结果。
因此，比如水和油，金属和非金属对流换热效果不同。
（5）换热表面的几何因素换热器管路叉排和顺排换热效果不同，换热管线直径大小对换热效果也有影响。
3对流换热微分方程组有几个方程组组成，各自到处的理论依据是什么？答：（1 ）连续性微分方程（2）热量平衡方程（ 1）（ 2）ρ?u+ u ?u+ v?u?p?2u?2u) 动量平衡方程(?x?y ) = F x -?x+ η( +?y2?τ?x2连续性微分程的依据是根据质量守恒导出的热量平衡方程是根据能量守恒导出的动量平衡方程是根据动量守恒导出的4何谓流动边界层和热边界层？它们的厚度是如何规定的。
答：流动边界层是由于流体粘度造成速度变化的区域，即速度发生明显变化的流体薄层。
速度达到∞处的 y 值作为边界层的厚度，用δ表示。
当温度均匀的流体与它所流过的固体壁面温度不同时，在壁面附近会形成一层温度变化较大的流体层，称为热边界层。
过于温度 t- t w =（ t∞ - t w）处到壁面的距离为热边界层的厚度。
强迫对流换热
4）动力粘度，Pas；运动粘度＝/，m2/s。流体
的粘度影响速度分布与流态，因此影响对流换热；
(5) 换热表面的几何因素
换热表面的几何形状、尺 寸、相对位置以及表面粗糙 度等几何因素将影响流体的 流动状态，因此影响流体的 速度分布和温度分布，对对 流换热产生影响。
(d) 在层流边界层与层流底层内，垂直于壁面方向上 的热量传递主要靠导热。湍流边界层的主要热阻在层 流底层。
19
对流换热微分方程组简化为
u v 0 x y
u
u x
v
u y
1
dp dx
2u y 2
u t v t x y
a
2t y 2
20
10-3 外掠等壁温平板层流换热分析解简介
16
2. 边界层理论与对流换热微分方程组的简化
(1) 边界层概念
1) 流动边界层 速度发生明显变 化的流体薄层。
湍流核心
流动边界层厚度 :
u 0.99u l
流场的划分:
主流区：y> 理想流体
边界层区: 0 y
u
存在速度梯度与粘性力的作用区。
y
边界层的流态： 层流边界层、过渡区、湍流边界层
Nux 是 以 x 为 特 征 长 度的局部努塞尔数
平均表面传热系数h 为 Rex
h1 l
l 0
hx
dx
1 l
l C x1/2dx
0
u x
2C l 1/2
2hxl
平均努塞尔数:
Nu
热工基础第十章张学学思考题答案
热工基础第十章思考题答案1 何谓表面传热系数？写出其定义式并说明其物理意义。
答：q=h（t w-t f），牛顿冷却公式中的h为表面传热系数。
表面传热系数的大小反映对流换热的强弱。
2 用实例简要说明对流换热的主要影响因素。
答：（1）流动起因室内暖气片周围空气的流动是自然对流。
而风机中的流体由于受到外力的作用属于强迫对流。
强迫对流和自然对流的换热效果是不同的。
（2）流动的状态流动状态有层流和湍流，层流和湍流的对流换热强度不同，输水管路，水流速度不同，会导致水的流动状态由层流到湍流，那么这两种流动状态对流换热效果是不同的。
（3）流体有无相变水在对流换热过程中被加热变成水蒸气，蒸气在对流换热过程中被冷却变成水，这个过程会吸收和放出汽化潜热，两个换热过程的换热量不同。
（4）流体的物理性质流体的物理性质对对流换热影响很大，对流换热是导热和对流两种基本导热共同作用的结果。
因此，比如水和油，金属和非金属对流换热效果不同。
（5）换热表面的几何因素换热器管路叉排和顺排换热效果不同，换热管线直径大小对换热效果也有影响。
3 对流换热微分方程组有几个方程组组成，各自到处的理论依据是什么？答：（1）连续性微分方程（2）热量平衡方程（1）动量平衡方程连续性微分程的依据是根据质量守恒导出的热量平衡方程是根据能量守恒导出的动量平衡方程是根据动量守恒导出的4 何谓流动边界层和热边界层？它们的厚度是如何规定的。
答：流动边界层是由于流体粘度造成速度变化的区域，即速度发生明显变化的流体薄层。
速度达到0.99u处的y值作为边界层的厚度，用表示。
∞当温度均匀的流体与它所流过的固体壁面温度不同时，在壁面附近会形成一层温度变化较大的流体层，称为热边界层。
过于温度t-=0.99（t∞-）处到壁面的距离为热边界层的厚度。
5 简述边界层理论的基本内容。
答：（1）边界层的厚度与壁面特征长度L相比是很小的量。
（2）流场划分为边界层区和主流区。
流动边界层内存在较大的速度梯度，是发生动量扩散的主要区域。
强迫对流换热
(c) 根据流动状态，边界层分为层流边界层和湍流边 界层。湍流边界层分为层流底层、缓冲层与湍流核心 三层结构。层流底层内的速度梯度和温度梯度远大于 湍流核心；
在常热流情况下， qx hx tw t f x q 常，数tw是变化
的，
tw 。t f x 常数 平均温差定义为
tw t f
1 l
l 0
tw t f
dx 1
x
l
l q dx q
0 hx
l
l x dx 0 Nux
平均努塞尔数: Nu hl ql
13
（2）对流换热的单值性条件
1) 几何条件
说明对流换热表面的几何形状、尺寸，壁面与流 体之间的相对位置，壁面的粗糙度等。
2) 物理条件
说明流体的物理性质、物性参数的数值及其变化 规律、有无内热源以及内热源的分布规律等。
3) 时间条件
说明对流换热过程是稳态还是非稳态。对于非稳态, 应给出初始条件（过程开始时的速度、温度场）。
1
10-1 概述
1. 牛顿冷却公式
= A h( tw－tf ) q = h( tw－tf )
h—整个固体表面的平均 表面传热系数;
tw—固体表面的平均温度; tf —流体温度，对于外部绕流，tf 取远离壁面的流体 主流温度；对于内部流动，tf 取流体的平均温度。
2
2. 对流换热的影响因素
对流换热是流体的导热和对流两种基本传热方式共 同作用的结果，因此，凡是影响流体导热和对流的因 素都将对对流换热产生影响。主要有以下五个方面：
热工基础张学学思考题答案
热工基础第十章思考题答案1 何谓表面传热系数？写出其定义式并说明其物理意义。
答：q=h（t w-t f），牛顿冷却公式中的h为表面传热系数。
表面传热系数的大小反映对流换热的强弱。
2 用实例简要说明对流换热的主要影响因素。
答：（1）流动起因室内暖气片周围空气的流动是自然对流。
而风机中的流体由于受到外力的作用属于强迫对流。
强迫对流和自然对流的换热效果是不同的。
（2）流动的状态流动状态有层流和湍流，层流和湍流的对流换热强度不同，输水管路，水流速度不同，会导致水的流动状态由层流到湍流，那么这两种流动状态对流换热效果是不同的。
（3）流体有无相变水在对流换热过程中被加热变成水蒸气，蒸气在对流换热过程中被冷却变成水，这个过程会吸收和放出汽化潜热，两个换热过程的换热量不同。
（4）流体的物理性质流体的物理性质对对流换热影响很大，对流换热是导热和对流两种基本导热共同作用的结果。
因此，比如水和油，金属和非金属对流换热效果不同。
（5）换热表面的几何因素换热器管路叉排和顺排换热效果不同，换热管线直径大小对换热效果也有影响。
3 对流换热微分方程组有几个方程组组成，各自到处的理论依据是什么？答：（1）连续性微分方程（2）热量平衡方程（1）（2）动量平衡方程连续性微分程的依据是根据质量守恒导出的热量平衡方程是根据能量守恒导出的动量平衡方程是根据动量守恒导出的4 何谓流动边界层和热边界层？它们的厚度是如何规定的。
答：流动边界层是由于流体粘度造成速度变化的区域，即速度发生明显变化的流体薄层。
速度达到0.99u∞处的y值作为边界层的厚度，用表示。
当温度均匀的流体与它所流过的固体壁面温度不同时，在壁面附近会形成一层温度变化较大的流体层，称为热边界层。
过于温度t-=0.99（t∞-）处到壁面的距离为热边界层的厚度。
5 简述边界层理论的基本内容。
答：（1）边界层的厚度与壁面特征长度L相比是很小的量。
（2）流场划分为边界层区和主流区。
流动边界层内存在较大的速度梯度，是发生动量扩散的主要区域。
热工基础知识 第十章 对流换热
2v y2
cp
t
u
t x
v t y
2t x2
2t y2
23
对流换热微分方程组简化为
u v 0 x y
dp dx
u
du dx
u
u x
v
u y
1
dp dx
2u y 2
6
5）体胀系数V，K－1。
V
1 v
v t
p
1
t
p
对于理想气体，pv=RT，代入上式，可得V =1/T。
体胀系数影响重力场中的流体因密度差而产生的浮
升力的大小，因此影响自然对流换热。
定性温度
对于同一种不可压缩牛顿流体，其物性参数的数
值主要随温度而变化。用来确定物性参数数值的温度。 称为定性温度。在分析计算对流换热时，定性温度的 取法取决于对流换热的类型。
u
u x
v u y
u
du dx
2u y 2
u t v t x y
a
2t y 2
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10-3 外掠等壁温平板层流换热分析解简介
1. 对流换热特征数关联式 特征数是由一些物理量组成的量纲一（无量纲）的 数，例如毕渥数Bi和傅里叶数Fo。对流换热的解也可 以表示成特征数函数的形式，称为特征数关联式。
流场的划分:
主流区：y> 理想流体
边界层区: 0 y
u
速度梯度存在与粘性力的作用区。
中国石油大学热工基础典型问题第十章_对流换热
工程热力学与传热学第十章对流换热典型问题分析典型问题一.基本概念分析1在流体温度边界层中，何处温度梯度的绝对值最大？为什么？2对流换热边界层微分方程组是否适用于粘度很大的油和Pr数很小的液态金属。
3对管内强迫对流换热，为何采用短管和弯管可以强化流体换热？4其他条件相同时，同一根管子横向冲刷与纵向冲刷相比，哪个的表面传热系数大？为什么？二.计算题分析120℃的空气在常压下以10m/s的速度流过平板，板表面温度tw=60℃，求距平板前缘200mm处的速度边界层厚度和温度边界层厚度δ，δt. 以及表面换热系数h, hx和单位宽度的换热量。
2一换热设备的工作条件是：壁温tw=120℃，加热80 ℃的空气，空气流速0.5m/s。
采用一个全盘缩小成原设备1/5的模型来研究它的换热情况。
在模型中亦对空气加热，空气温度tw ‘=10℃，壁面温度30℃。
试问模型中流速u’应多大才能保证与原设备中的换热现象相似。
320℃，14kPa的空气，以150ｍ/s的速度流过长为1ｍ的平板，平板温度保持150℃。
试问平板单位面积的平均热流量是多少？4流量为0.8kg的水在直径为2.5cｍ的管内从35℃加热到40℃，管壁温度为90℃。
试问需要多长的管子才能完成这样的加热？5温度为50℃，压力为1.013×105Pa的空气，平行掠过一块表面温度为100 ℃的平板上表面，平板下表面绝热。
平板沿流动方向长度为0.2ｍ，宽度为0.1ｍ，按平板长度计算的雷诺数为4×104。
试确定：（1）平板表面与空气间的表面传热系数和传热量；（2）如果空气流速增加一倍，压力增加10.13×105Pa，计算表面传热系数和传热量。
6计算一个40Ｗ的白炽灯灯泡在27 ℃的静止空气中的散热，灯泡温度为127℃。
设灯泡可近似为直径50ｍｍ的圆球。
确定自然对流换热在白炽灯功率中所占的百分比。
分析解答一.基本概念分析解答1.答：固体表面处温度梯度最大，在物体表面处温度变化最快。
热对流和热辐射教案及反思
热对流和热辐射教案及反思第一章：热对流的概念及类型1.1 热对流的定义1.2 自然对流和强迫对流的概念及区别1.3 几种常见的自然对流现象1.4 几种常见的强迫对流现象第二章：热对流的产生和发展2.1 自然对流的产生和发展2.2 强迫对流的产生和发展2.3 热对流的影响因素2.4 热对流的控制方法第三章：热辐射的基本原理3.1 热辐射的定义3.2 热辐射的特点3.3 热辐射的强度和谱分布3.4 热辐射的传播规律第四章：热辐射的吸收、反射和透射4.1 热辐射的吸收4.2 热辐射的反射4.3 热辐射的透射4.4 热辐射的吸收、反射和透射在实际应用中的例子第五章：热辐射的应用5.1 热辐射在工业中的应用5.2 热辐射在能源领域的应用5.3 热辐射在航天、军事等领域的应用5.4 热辐射在日常生活和环保领域的应用第六章：热对流和热辐射的计算方法6.1 自然对流的计算方法6.2 强迫对流的计算方法6.3 热辐射的计算方法6.4 热对流和热辐射耦合计算方法第七章：热对流和热辐射的实验研究7.1 热对流实验研究的方法和设备7.2 热辐射实验研究的方法和设备7.3 热对流和热辐射实验研究的案例分析7.4 实验中可能遇到的问题及解决方法第八章：热对流和热辐射在工程中的应用8.1 热对流在工程中的应用案例8.2 热辐射在工程中的应用案例8.3 热对流和热辐射在工程应用中的综合案例8.4 热对流和热辐射在工程应用中的挑战和解决方案第九章：热对流和热辐射的环境影响9.1 热对流对环境的影响9.2 热辐射对环境的影响9.3 热对流和热辐射的环境保护措施9.4 热对流和热辐射的环境影响评估第十章：热对流和热辐射的教案设计与反思10.1 教案设计的原则和方法10.2 教学目标和教学内容的设定10.3 教学方法和教学工具的选择10.4 教学效果的评估和反思重点和难点解析六、热对流和热辐射的计算方法补充和说明：在讲解自然对流和强迫对流的计算方法时，应强调流体密度、流速、热导率等参数的重要性，并通过实际案例让学生理解如何应用这些计算方法。
热工基础第十章-张学学-思考题答案教学内容
热工基础第十章-张学学-思考题答案热工基础第十章思考题答案1 何谓表面传热系数？写出其定义式并说明其物理意义。
答：q=h（t w-t f），牛顿冷却公式中的h为表面传热系数。
表面传热系数的大小反映对流换热的强弱。
2 用实例简要说明对流换热的主要影响因素。
答：（1）流动起因室内暖气片周围空气的流动是自然对流。
而风机中的流体由于受到外力的作用属于强迫对流。
强迫对流和自然对流的换热效果是不同的。
（2）流动的状态流动状态有层流和湍流，层流和湍流的对流换热强度不同，输水管路，水流速度不同，会导致水的流动状态由层流到湍流，那么这两种流动状态对流换热效果是不同的。
（3）流体有无相变水在对流换热过程中被加热变成水蒸气，蒸气在对流换热过程中被冷却变成水，这个过程会吸收和放出汽化潜热，两个换热过程的换热量不同。
（4）流体的物理性质流体的物理性质对对流换热影响很大，对流换热是导热和对流两种基本导热共同作用的结果。
因此，比如水和油，金属和非金属对流换热效果不同。
（5）换热表面的几何因素换热器管路叉排和顺排换热效果不同，换热管线直径大小对换热效果也有影响。
3 对流换热微分方程组有几个方程组组成，各自到处的理论依据是什么？答：（1）连续性微分方程（2）热量平衡方程（1）ρ(∂u∂τ+u∂u∂x+v∂u∂y)=F x−∂p∂x+η(∂2u∂x2+∂2u∂y2)动量平衡方程连续性微分程的依据是根据质量守恒导出的热量平衡方程是根据能量守恒导出的动量平衡方程是根据动量守恒导出的4 何谓流动边界层和热边界层？它们的厚度是如何规定的。
答：流动边界层是由于流体粘度造成速度变化的区域，即速度发生明显变化的流体薄层。
速度达到0.99u∞处的y值作为边界层的厚度，用δ表示。
当温度均匀的流体与它所流过的固体壁面温度不同时，在壁面附近会形成一层温度变化较大的流体层，称为热边界层。
过于温度t-t w=0.99（t∞-t w）处到壁面的距离为热边界层的厚度。
强迫对流换热
y+dy h y+dy
的净热量和由对流进入微元体的 dy 净热量之和等于微元体热力学能
x h x
x+dx h x+dx
的增加，
h
dU
d
y h y
0
dx
x
cp
t
u
t x
v
t y
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（2）对流换热的单值性条件
1) 几何条件
说明对流换热表面的几何形状、尺寸，壁面与流 体之间的相对位置，壁面的粗糙度等。
2) 物理条件
说明流体的物理性质、物性参数的数值及其变化 规律、有无内热源以及内热源的分布规律等。
3) 时间条件
说明对流换热过程是稳态还是非稳态。对于非稳态, 应给出初始条件（过程开始时的速度、温度场）。
u
u x
v
u ) y
Fx
p x
(
2u x 2
Hale Waihona Puke 2u y 2 )y方向:
（ v
u
v x
v
v ) y
Fy
p y
(
2v x 2
2v y 2
)
惯性力项
体积 压力 力项 梯度
项
粘性力项
11
3）能量微分方程（能量守恒） 单位时间由导热进入微元体 y
给出了边界面法线方 向流体的温度变化率
如果qw=常数，则称为等热流边界条件。
15
对流换热微分方程组和单值性条件构成了对一个具 体对流换热过程的完整的数学描述。但由于这些微分方 程非常复杂，尤其是动量微分方程的高度非线性，使方 程组的分析求解非常困难。
对流换热
11
1）连续性微分方程（质量守恒） u v 0 x y 2）动量微分方程（动量守恒）
纳维(N. Navier)-斯托克斯(G. G. Stokes)方程
y
dy
微元体
0
dx
x
2 2 u u u p u u x方向: （ u v ) Fx ( 2 2 ) x y x x y
2 外掠平板层流换热分析结果
对于常物性、无内热源、不可压缩牛顿流体纵掠 等壁温平板层流换热：
24
特征数关联式 对于Pr0.6的流体掠过等壁温平板层流换热 hx x Nux 是以 x 为特征长 1/2 1/3 Nu x 0.332 Rex Pr 度的局部努塞尔数 u x 平均表面传热系数h 为 Rex l l 1 1 1/2 1/2 2 C l 2hxl h hx dx C x dx l 0 l 0 平均努塞尔数: hl 2hl l Nu 0.664Re1/2 Pr1/3 Nu 2 Nu x l 注意：上述关系式仅适用于Pr0.6的流体外掠等壁 温平板层流换热，定性温度为边界层的算术平均温度 1 tm t w t 2
q w, x
t y w, x
根据牛顿冷却公式：
qw, x hx (t w -t ) W m 2
t hx t w t y w, x
hx 为局部表面传热系数
W (m C)
2
1 h hx dA（固体表面温度均匀时） A A
10
假设： (a) 流体为连续性介质。
(b) 流体的物性参数为常数，不随温度变化。 (c) 流体为不可压缩性流体。通常流速低于四分之一声 速的流体可以近似为不可压缩性流体。 (d) 流体为牛顿流体，即切向应力与应变之间的关系为 线性，遵循牛顿公式 ： u y (e) 流体无内热源，忽略粘性耗散产生的耗散热。 (f) 二维对流换热。
强迫对流原理
强迫对流原理
强迫对流原理是一种物理学上的现象，指的是当流体（如气体或液体）在流动过程中，受到外界的强迫作用而形成的对流运动。
这种对流运动可以是垂直于流体流动方向的，也可以是平行于流动方向的。
强迫对流原理的实例可以是我们日常生活中常见的现象，比如热水壶中的开水。
当我们将水烧开后，可以观察到水面上出现了许多细小的气泡，并且这些气泡会从底部冒出。
这是因为在加热过程中，底部的水受到加热而变热，变得比其周围的水温度高，从而密度变小，形成了一个上升的气柱。
而周围的冷水则会向底部流动，形成了一个下沉的水柱。
这样，热水壶中就形成了一个由上升和下沉的水柱所构成的强迫对流循环。
类似的现象还可以在大气层中观察到。
当太阳照射到地面时，地面受热，将热量传递给空气，使空气变热，密度变小。
而在空气中，冷空气则会下沉，形成一个下沉气流。
这样，地面上就形成了一个由上升和下沉气流所构成的强迫对流循环。
这种对流现象可以使大气中的热量和湿度得以均衡分布，起到了调节气候的作用。
强迫对流原理不仅在自然界中普遍存在，也在工程领域中得到了广泛应用。
比如，在核能工程中，为了保持核反应堆的温度稳定，常常会用到冷却剂进行循环冷却。
冷却剂在流动过程中会受到外界的强迫作用，形成对流运动，从而将热量带走，保持反应堆的稳定。
总的来说，强迫对流原理是一种重要的物理现象，它在自然界和工程领域中起着重要作用。
通过对强迫对流的研究和应用，我们可以更好地理解流体的运动规律，为工程设计和气候调节等领域提供科学依据。
第10章 对流换热(中文课件)
工程热力学与传热学
传热学 第十章 对流换热
郭煜 中国石油大学（北京）机械与储运工程学院
郭煜《工程热力学与传热学 》
第十章 对流换热
内容要求
掌握对流换热问题的机理和影响因素 了解对流换热的数学描述 边界层理论概述与边界层内对流换热微分方程组的简化 外掠等壁温平板层流换热分析解简介 掌握对流换热的实验研究方法，相似原理 各种典型对流换热的基本特点和计算方法
tw — 固体表面的平均温度。 tf — 流体温度。
• 外部绕流（外掠平板，圆管）： tf 为流体的主流温度。
• 内部流动（各种形状槽道内的流动）： tf 为流体的平均温度。
tf
d
外部绕流
管内流动
郭煜《工程热力学与传热学 》
4. 局部表面传热系数与平均表面传热系数
局部对流换热时，局部热流密度：
郭煜《工程热力学与传热学 》
2. 流动的状态 —— 层流流动与湍流流动
层流（Laminar flow）
流速缓慢 沿轴线或平行于壁面作规则分层运动 热量传递：主要靠导热（垂直于流动方向）
u∞ tf
u∞ uq
导热
u∞
u
导热qBiblioteka 0 层流边界层x管内层流流动
Example Oils-- the flow of high-viscosity fluid at
（管内强制对流换热，外掠壁温强制对流换热， 自然对流换热等）
郭煜《工程热力学与传热学 》
10-1 对流换热概述
10-1-1 基本概念和计算公式
1. 对流换热（Convection heat transfer）
流体流过另一个物体表面时，对流和导热联合起作用 的热量传递现象。
热工基础(11)第十章
(3) 流体有无相变 沸腾换热 凝结换热
5
(4) 流体的物理性质
Dv p Fy 2 v d y
纳维 (N. Navier)- 斯托克 斯(G. G. Stokes)方程
13
3）能量微分方程（能量守恒）
y
y+dy h y+dy
单位时间由导热进入微元体 x x+dx dy h x 的净热量和由对流进入微元体的 h x+dx 净热量之和等于微元体热力学能 y h y 的增加， dU 0 h x dx d 2t 2t t t t D t cp u v 2 2 a 2t y x y d x 若u=v=0 常物性、无内热源、不可压缩牛顿 流体对流换热的能量微分方程式 。 t a 2t 导热微分方程式实质上就是内部无 导热微分方程式 宏观运动物体的能量微分方程式 。
6
5）体胀系数V，K－1。
1 v 1 V v t p t p
对于理想气体，pv=RT，代入上式，可得V =1/T。
体胀系数影响重力场中的流体因密度差而产生的浮 升力的大小，因此影响自然对流换热。 定性温度 对于同一种不可压缩牛顿流体，其物性参数的数 值主要随温度而变化。用来确定物性参数数值的温度。 称为定性温度。在分析计算对流换热时，定性温度的 取法取决于对流换热的类型。
7
(5) 换热表面的几何因素
锅炉原理第10章强制流动锅炉及水动力特性
热能与动力工程
强制循环锅炉、直流锅炉出现的原因 1 P升高，汽水密度差下降，自然循环推动力下降，
所以需要采用强制流动； 2 由于压力提高，汽包体积大，壁厚，存在厚钢板
供应困难，和制造工艺困难。 3 给水处理技术落后，锅内腐蚀严重。
热能与动力工程
直流锅炉也是大容量锅炉发展方向之一。 特别是采用超临界参数的锅炉，直流锅炉是唯 一能采用的锅炉型式。
推荐值：1.5~2.5圈
热能与动力工程
采用螺旋管圈水冷壁的优点
• 能根据需要获得足够的质量流速，保证水冷壁的安全运行； • 管间吸热偏差小； • 抗燃烧干扰能力强； • 可以不设水冷壁进口的分配节流环； • 适应于锅炉变压运行的要求。
热能与动力工程
第二节 控制循环锅炉
• 工质在蒸发管中做多次强制循环流动，仍然用于亚临界压 力范围内，故又称为多次强制循环锅炉。
数小，冷却差，管壁温度高，有可能造成炉管失效损坏。
水平管圈 特性方程
热能与动力工程
管内工质流动阻力ΔP = ΔP lz = ΔP rs + ΔPzf
推 导 可 得
P A 3 B 2 C
A
i 8q
1
1＋
i
2r
1
热能与动力工程
第一节 直流锅炉
一、直流锅炉工作原理及过程 工质依靠给水泵的压头一次通过预热、蒸发、
过热各受热面而加热成为过热蒸汽。 给水流量 G ＝ 蒸发量 D
给水泵 省煤器
水冷壁
过热器
热能与动力工程
热能与动力工程
热能与动力工程
二、直流锅炉的特点 1. 本质特点
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Heat Transfer
2、 入口段与充分发展段
• 流动入口段与充分发展段
对于管内等温层 流，流动充分发展段 具有以下特征：
(a) 沿轴向的速度不变，其它方向的速度为零；
(b) 圆管横截面上的速度分布为抛物线形分布；
(c) 沿流动方向的压力梯度不变，阻力系数f 为常
数
f 64 Re
l u2
p f d2
l— 管 长 ； d— 管 内
径
Heat Transfe流r 动进口段长度： l / d 0.05 Re Pr
• 热入口段与充分发展段:
• 进口段边界层沿x方向由薄变厚，hx由大变小，对流换 热逐渐减弱。
• 入口段的热边界层薄，表面传热系数比 充分发展段高。
• 热入口段长度:
l / d 0.05 Re Pr
Heat Transfer
10-5-1 管内强迫对流换热
我们已掌握 …… • 边界层理论, N-S方程组 我们接下来要做什么: • 建立管内流动对流换热特征数关联式
Heat Transfer
ro
1、管内流动的流态
•
• 层流：
•
过渡区：
•
湍流：
Re 2300 2300 Re 10000 10000 Re
边界条件: 1、第一类：常壁温 2、第二类：常热流
Heat Transfer
• 牛顿冷却公式中
tf——流体特征温度 • 对常热流边界条件
tf
1 2
(t
f
'
t
f
")
平均温差: (1) 对长管（入口段可忽略）的充分发展段，采用管子 出口处流体温差
q h(tw t f ) h t"
(2) 对于短管，入口段不可忽略，可近似取进出口温差 的算术平均值
外掠单管时的对流换热 • 对流换热系数特征数关联式由试验得到
• 局部Nu
Heat Transfer
平均Nu
Heat Transfer
• 通常，我们关心的是在整个表面的平均Nu
• Zhukauskas 公式
Nu f
hD
C
Re
f
n
Pr f
m
Pr f Prw
1
4
Valid
for :
0.7 Prf
Pe Re Pr 贝克利数
Nuf 5.0 0.025Pef0.8
Pef 100。
Heat Transfer
强化管内湍流换热的措施
• 将式10-58展开（取n=0.4，加热）
h
0.023cp 0.4 0.6 d 0.4 0.2
u
0.8
• 可见，当流体种类确定后，设计中能改变的只有流速 和管径。
1
Pr3
• 热边界层厚度
local average
对于第二类边界.
t Pr1 3
Heat Transfer
Nux
hx x
1
0.453Re
2 x
1
Pr3
Nu
hl
1
0.680Re 2
1
Pr3
local average
当 l >xc ，为层流和湍流并存的情况：
11
x xc时，层流，Nux 0.332 Re2 Pr 3
cl
1
d
l
0.7
• 弯管——强化换热
液体
气体
Heat Transfer
cr
1
10.3
d
R
3
cr
1
1.77
d R
当 Pr<0.6, 如液态金属
• 常热流
Nuf 4.82 0.0185Pef0.827
• 常壁温
Ref 3.6 103 ~ 9.05 105, Pef 102 ~ 104。
Ref Prf
l /d
1/3
f w
0.14
2。
Heat Transfer
• 管内湍流换热 Dittus-boelter equation 迪贝斯－贝尔特公式：
Nuf 0.023 Ref0.8 Prfn
加热 n 0.4，
冷却 n 0.3。
定性温度为流体的平均温度 tf，定性长度为管子内径，用于常
ct
Tf Tw
0.5
ct 1。
液体:
Heat Transfer
m
ct
f w
m 0.11 加热
m 0.25 冷却
（2）Sieder-Tate 公式：
0.14
Nuf
0.027 Ref0.8
Prf1 / 3
f w
应用条件
l / d 60，
Prf 0.7 ~ 16700, Ref 104。
1
Re
f
500
106
• 定性温度：主流区温度t∞, • Prw ：壁温下查取. • C, n ——表10-2
• m：Pr>10，m=0.36; Pr≤10,m=0.37
Heat Transfer
或,
Nu C Ren Pr1 / 3
式中：C及n的值见下表；定性温度为 (tw
t
)
/
2;
特征长度为管外径； Re
h 54.2W / m2 K
壁温的条件
应用条件 Ref 104 ~ 1.2 105, Prf 0.7 ~ 120, l / d 60。
此式适用与流体与壁面具有中等以下温差场合。
Heat Transfer
对于温差相差较大的情况: （1） Dittus-boelter 修正式
Nuf
加热气体，
冷却气体，
0.023 Ref0.8 Prfn ct
• h与流速的0.8次方成正比，提高流速对强化换热 非常显著。
• h与管径的0.2次方成反比，采用小管径也是强化 换热的一种措施，但效果不及提高流速显著。
• 这些措施都会同时增加流动阻力，流速的影响也 最大 Heat Transfer
10-5-2 外部流动的对流换热 • 外掠平壁 • 外掠圆管 • 外掠管束
Sieder-Tate equation 齐德－泰特公式:
Nuf
1.86
Ref Prf
l /d
1/3
f w
0.14
定）性，温定度性为长流度体为的管平子均内温径度，t应f（用于w 常要壁按温壁的面条温件度tw 查取
应用条件
Prf 0.48 ~ 16700,
f 0.0044 ~ 9.75， w
Heat Transfer
t 1 (t' t") 2
• 对常壁温条件
对数平均温差
t ' t"
入口
t
ln
t ' t "
出口
Heat Transfer
• 管内层流充分发展段的对流换热系数
Heat Transfer
续表
Heat Transfer
Heat Transfer
•管内层流 入口段
Num 0.037 Re4 5 871 Pr1 3
Heat Transfer
2、外掠圆管和管束
驻点 压力降低
P 0 x
尾迹 脱体点 压力升高
P 0 x
Heat Transfer
• 边界层过渡
Re 1.2105
Re 1.2105
• 湍流时，边界层内流体动量更大，脱体扰动也更强烈
Heat Transfer
(f / w )n 或（Prf / Prw )n
Heat Transfer
• 如果管内流道为非圆形， 当量直径 Hydraulic diameter
de
4Ac P
Ac 为流道截面面积. P 为流体湿润周边长度.
Heat Transfer
•入口, Entrance region for edge entrance
Nu f
C
Re
m f
Prf
0.36
Prf Prw
0.25
n
适用于:
1 Re 2106
500
Pr
0.6
Heat Transfer
C, m——表10-3 εn——表 10-4 定性温度：管束进出口流体平均温度
• 例题：在一锅炉中，烟气横掠4排管组成的顺管束，已知 管外径d＝60mm，s1/d=2, s2/d=2, 烟气平均温度 tf=600℃,tw=120℃.烟气通道最窄处平均流速u=8m/s，试 求管束平均表面换热系数。
数的特征速度为来流速度
u
。
实验验证范围：t
15.5
~
982
℃
，tw
21
~
1046
℃。
Heat Transfer
对非圆柱物体
Heat Transfer
上述公式对于实验数据一般需要分段整理。
邱吉尔与朋斯登对流体横向外掠单管提出了以下在整 个实验范围内都能适用的准则式。
Nu
0.3
[1
0.62 Re1 / 2 Pr1 / 3 (0.4 / Pr)2 / 3]1 / 4
求解：由附表17，烟气物性为 Prf=0.62, Prw=0.686, ν＝93.61*10－6m2/s, λ=7.42*10-2W/m.K
Re f
uD
8 0.06 93.61106
5128
由表10－3，10－4
Nu f
0.27
Re
0.63 f
Pr 0.36
Prf Prw
0.25
0.91
Heat Transfer
Heat Transfer
内部流动与外部流动的区别 • 外部流动: